Архитектура Flash-памяти

Архитектура Flash-памяти

Министерство науки и образования Украины

Институт социального управления экономики и права

Кафедра специализированных компьютерных систем

Пояснительная записка

ІСУЕП 04254.009

до курсового проекта

с дисциплины: «Архитектура ЭВМ»

на тему:

«Архитектура Flash-памяти»

|Проверил: |Подготовил: |

|проф. |студент III курса |

|Романкевич О.М. |группы КС-14 |

|ст. преп. |Крывонижко К.Н. |

|Рудаков К.С. | |

_____________

(оценка)

«___» ________

«___» ________

_____________

_____________

(подпись)

(подпись)

г. Черкассы 2004

Содержание

1. Введение 3-4

1. Что такое flash-

память?..............................................................

......5-9

2. Организация flash-памяти…………………………………………10-14

3. Архитектура флэш-памяти………………………………………..14-18

4. Карты памяти (флэш-карты)………………………………………19-28

1. Вывод………………………………………………………………..29

2.

Литература............................................................

..............................30

1.Введение

Технология флэш-памяти появилась около 20-ти лет назад. В конце 80-х

годов прошлого столетия флэш-память начали использовать в качестве

альтернативы UV-EPROM. С этого момента интерес к флэш-памяти с каждым годом

неуклонно возрастает. Внимание, которое уделяется флэш-памяти, вполне

объяснимо – ведь это самый быстрорастущий сегмент полупроводникового рынка.

Ежегодно рынок флэш-памяти растет более чем на 15%, что превышает суммарный

рост всей остальной полупроводниковой индустрии.

Сегодня флэш-память можно найти в самых разных цифровых устройствах. Её

используют в качестве носителя микропрограмм для микроконтроллеров HDD и CD-

ROM, для хранения BIOS в ПК. Флэш-память используют в принтерах, КПК,

видеоплатах, роутерах, брандмауэрах, сотовых телефонах, электронных часах,

записных книжках, телевизорах, кондиционерах, микроволновых печах и

стиральных машинах... список можно продолжать бесконечно. А в последние

годы флэш становится основным типом сменной памяти, используемой в цифровых

мультимедийных устройствах, таких как mp3-плееры и игровые приставки. А все

это стало возможным благодаря созданию компактных и мощных процессоров.

Однако при покупке какого-либо устройства, помещающегося в кармане, не

стоит ориентироваться лишь на процессорную мощность, поскольку в списке

приоритетов она стоит далеко не на первом месте.

Начало этому было положено в 1997 году, когда флэш-карты впервые стали

использовать в цифровых фотокамерах.

При выборе портативных устройств самое важное, на мой взгляд - время

автономной работы при разумных массе и размерах элемента питания. Во многом

это от памяти, которая определяет объем сохраненного материала, и,

продолжительность работы без подзарядки аккумуляторов. Возможность хранения

информации в карманных устройствах ограничивается скромными энергоресурсами

Память, обычно используемая в ОЗУ компьютеров, требует постоянной подачи

напряжения. Дисковые накопители могут сохранять информацию и без

непрерывной подачи электричества, зато при записи и считывании данных

тратят его за троих. Хорошим выходом оказалась флэш-память, не

разряжающаяся самопроизвольно. Носители на ее основе называются

твердотельными, поскольку не имеют движущихся частей. К сожалению, флэш-

память - дорогое удовольствие: средняя стоимость ее мегабайта составляет 2

доллара, что в восемь раз выше, чем у SDRAM, не говоря уж о жестких дисках.

А вот отсутствие движущихся частей повышает надежность флэш-памяти:

стандартные рабочие перегрузки равняются 15 g, а кратковременные могут

достигать 2000 g, т. е. теоретически карта должна превосходно работать при

максимально возможных космических перегрузках, и выдержать падения с

трёхметровой высоты. Причем в таких условиях гарантируется функционирование

карты до 100 лет.

Многие производители вычислительной техники видят память будущего

исключительно твердотелой. Следствием этого стало практически одновременное

появление на рынке комплектующих нескольких стандартов флэш-памяти.

2.Что такое flash-память?

Флэш-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой

полупроводниковой памяти.

. Энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для

хранения данных (энергия требуется только для записи).

. Перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в

ней данных.

. Полупроводниковая (твердотельная) - не содержащая механически

движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная

на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-

памяти не содержит конденсаторов – типичная ячейка флэш-памяти состоит

всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти

прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в

миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным

находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит

информации. Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory)

памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш

хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM. В отличие от DRAM, при

отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают. Замены памяти SRAM и

DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш-памяти: флэш

работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов

перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

Надёжность/долговечность: информация, записанная на флэш-память, может

храниться очень длительное время (от 20 до 100 лет), и способна выдерживать

значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно

допустимые для обычных жёстких дисков). Основное преимущество флэш-памяти

перед жёсткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память

потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во

время работы. В устройствах CD-ROM, жёстких дисках, кассетах и других

механических носителях информации, большая часть энергии уходит на

приведение в движение механики этих устройств. Кроме того, флэш-память

компактнее большинства других механических носителей. Флэш-память

исторически произошла от полупроводникового ROM, однако ROM-памятью не

является, а всего лишь имеет похожую на ROM организацию. Множество

источников (как отечественных, так и зарубежных) зачастую ошибочно относят

флэш-память к ROM. Флэш никак не может быть ROM хотя бы потому, что ROM

(Read Only Memory) переводится как "память только для чтения". Ни о какой

возможности перезаписи в ROM речи быть не может! Небольшая, по началу,

неточность не обращала на себя внимания, однако с развитием технологий,

когда флэш-память стала выдерживать до 1 миллиона циклов перезаписи, и

стала использоваться как накопитель общего назначения, этот недочет в

классификации начал бросаться в глаза. Среди полупроводниковой памяти

только два типа относятся к "чистому" ROM - это Mask-ROM и PROM. В отличие

от них EPROM, EEPROM и Flash относятся к классу энергонезависимой

перезаписываемой памяти (английский эквивалент - nonvolatile read-write

memory или NVRWM).

ROM:

. ROM (Read Only Memory) - память только для чтения. Русский эквивалент

- ПЗУ (Постоянно Запоминающее Устройство). Если быть совсем точным,

данный вид памяти называется Mask-ROM (Масочные ПЗУ). Память устроена

в виде адресуемого массива ячеек (матрицы), каждая ячейка которого

может кодировать единицу информации. Данные на ROM записывались во

время производства путём нанесения по маске (отсюда и название)

алюминиевых соединительных дорожек литографическим способом. Наличие

или отсутствие в соответствующем месте такой дорожки кодировало "0"

или "1". Mask-ROM отличается сложностью модификации содержимого

(только путем изготовления новых микросхем), а также длительностью

производственного цикла (4-8 недель). Поэтому, а также в связи с тем,

что современное программное обеспечение зачастую имеет много

недоработок и часто требует обновления, данный тип памяти не получил

широкого распространения.

Преимущества:

1. Низкая стоимость готовой запрограммированной микросхемы (при

больших объёмах производства).

2. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.

3. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к

электромагнитным полям.

Недостатки:

1. Невозможность записывать и модифицировать данные после

изготовления.

2. Сложный производственный цикл.

. PROM - (Programmable ROM), или однократно Программируемые ПЗУ. В

качестве ячеек памяти в данном типе памяти использовались плавкие

перемычки. В отличие от Mask-ROM, в PROM появилась возможность

кодировать ("пережигать") ячейки при наличии специального устройства

для записи (программатора). Программирование ячейки в PROM

осуществляется разрушением ("прожигом") плавкой перемычки путём подачи

тока высокого напряжения. Возможность самостоятельной записи

информации в них сделало их пригодными для штучного и мелкосерийного

производства. PROM практически полностью вышел из употребления в конце

80-х годов.

Преимущества:

1. Высокая надёжность готовой микросхемы и устойчивость к

электромагнитным полям.

2. Возможность программировать готовую микросхему, что удобно для

штучного и мелкосерийного производства.

3. Высокая скорость доступа к ячейке памяти.

Недостатки:

1. Невозможность перезаписи

2. Большой процент брака

3. Необходимость специальной длительной термической тренировки, без

которой надежность хранения данных была невысокой

NVRWM:

. EPROM

Различные источники по-разному расшифровывают аббревиатуру EPROM - как

Erasable Programmable ROM или как Electrically Programmable ROM

(стираемые программируемые ПЗУ или электрически программируемые ПЗУ).

В EPROM перед записью необходимо произвести стирание (соответственно

появилась возможность перезаписывать содержимое памяти). Стирание

ячеек EPROM выполняется сразу для всей микросхемы посредством

облучения чипа ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в течение

нескольких минут. Микросхемы, стирание которых производится путем

засвечивания ультрафиолетом, были разработаны Intel в 1971 году, и

носят название UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet) - ультрафиолет).

Они содержат окошки из кварцевого стекла, которые по окончании

процесса стирания заклеивают.

Достоинство: Возможность перезаписывать содержимое микросхемы

Недостатки:

1. Небольшое количество циклов перезаписи.

2. Невозможность модификации части хранимых данных.

3. Высокая вероятность "недотереть" (что в конечном итоге приведет к

сбоям) или передержать микросхему под УФ-светом (т.н. overerase -

эффект избыточного удаления, "пережигание"), что может уменьшить срок

службы микросхемы и даже привести к её полной негодности.

. EEPROM (EEPROM или Electronically EPROM) - электрически стираемые ППЗУ

были разработаны в 1979 году в той же Intel. В 1983 году вышел первый

16Кбит образец, изготовленный на основе FLOTOX-транзисторов (Floating

Gate Tunnel-OXide - "плавающий" затвор с туннелированием в окисле).

Главной отличительной особенностью EEPROM (в т.ч. Flash) от ранее

рассмотренных нами типов энергонезависимой памяти является возможность

перепрограммирования при подключении к стандартной системной шине

микропроцессорного устройства. В EEPROM появилась возможность

производить стирание отдельной ячейки при помощи электрического тока.

Для EEPROM стирание каждой ячейки выполняется автоматически при записи

в нее новой информации, т.е. можно изменить данные в любой ячейке, не

затрагивая остальные. Процедура стирания обычно существенно длительнее

процедуры записи.

Преимущества EEPROM по сравнению с EPROM:

1. Увеличенный ресурс работы.

2. Проще в обращении.

Недостаток: Высокая стоимость

. Flash (полное историческое название Flash Erase EEPROM):

Изобретение флэш-памяти зачастую незаслуженно приписывают Intel,

называя при этом 1988 год. На самом деле память впервые была

разработана компанией Toshiba в 1984 году, и уже на следующий год было

начато производство 256Кбит микросхем flash-памяти в промышленных

масштабах. В 1988 году Intel разработала собственный вариант флэш-

памяти.

Во флэш-памяти используется несколько отличный от EEPROM тип ячейки-

транзистора. Технологически флэш-память родственна как EPROM, так и

EEPROM. Основное отличие флэш-памяти от EEPROM заключается в том, что

стирание содержимого ячеек выполняется либо для всей микросхемы, либо

для определённого блока (кластера, кадра или страницы). Обычный размер

такого блока составляет 256 или 512 байт, однако в некоторых видах

флэш-памяти объём блока может достигать 256КБ. Следует заметить, что

существуют микросхемы, позволяющие работать с блоками разных размеров

(для оптимизации быстродействия). Стирать можно как блок, так и

содержимое всей микросхемы сразу. Таким образом, в общем случае, для

того, чтобы изменить один байт, сначала в буфер считывается весь блок,

где содержится подлежащий изменению байт, стирается содержимое блока,

изменяется значение байта в буфере, после чего производится запись

измененного в буфере блока. Такая схема существенно снижает скорость

записи небольших объёмов данных в произвольные области памяти, однако

значительно увеличивает быстродействие при последовательной записи

данных большими порциями.

Преимущества флэш-памяти по сравнению с EEPROM:

1. Более высокая скорость записи при последовательном доступе за счёт

того, что стирание информации во флэш производится блоками.

2. Себестоимость производства флэш-памяти ниже за счёт более простой

организации.

Недостаток: Медленная запись в произвольные участки памяти.

| |

3.Организация flash-памяти

Ячейки флэш-памяти бывают как на одном, так и на двух транзисторах.

В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из

одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной

областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить заряд

многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации.

При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов

(зависит от типа ячейки): методом инжекции "горячих" электронов или методом

туннелирования электронов. Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с

"плавающего" затвора) производится методом тунеллирования.

Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", а

его отсутствие - как логическая "1". Современная флэш-память обычно

изготавливается по 0,13- и 0,18-микронному техпроцессу.

Общий принцип работы ячейки флэш-памяти.

Рассмотрим простейшую ячейку флэш-памяти на одном n-p-n транзисторе. Ячейки

подобного типа чаще всего применялись во flash-памяти с NOR архитектурой, а

также в микросхемах EPROM. Поведение транзистора зависит от количества

электронов на "плавающем" затворе. "Плавающий" затвор играет ту же роль,

что и конденсатор в DRAM, т. е. хранит запрограммированное значение.

Помещение заряда на "плавающий" затвор в такой ячейке производится методом

инжекции "горячих" электронов (CHE - channel hot electrons), а снятие

заряда осуществляется методом квантомеханического туннелирования Фаулера-

Нордхейма (Fowler-Nordheim [FN]).

|[pic] |При чтении, в отсутствие заряда на |

| |"плавающем" затворе, под |

| |воздействием положительного поля на |

| |управляющем затворе, образуется |

| |n-канал в подложке между истоком и |

| |стоком, и возникает ток. |

|[pic] |Наличие заряда на "плавающем" |

| |затворе меняет вольт-амперные |

| |характеристики транзистора таким |

| |образом, что при обычном для чтения |

| |напряжении канал не появляется, и |

| |тока между истоком и стоком не |

| |возникает. |

|[pic] |При программировании на сток и |

| |управляющий затвор подаётся высокое |

Страницы: 1, 2, 3